【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于檢測計量領域，具體涉及一種壓電陶瓷疊堆驅動的沖擊壓入測試方法及其測試系統。
技術介紹
1、由于在航空裝備、能源電力等領域，核心器件往往服役于復雜苛刻的沖擊載荷工況條件下，例如航空發動機渦輪葉片和超高聲速飛行器、民航客機的飛鳥撞擊問題和光伏玻璃的沖擊破壞問題等。因此對核心器件進行沖擊條件下的材料力學性能測試，對提升其在沖擊工況下的工作穩定性、耐久性、適用性都極具重要意義。
2、對于核心器件而言，服役環境十分復雜苛刻，并且通常其制備繁瑣、價格昂貴。傳統材料力學性能測試技術需要從原材料或目標器件上切取足夠的試料，經過機械加工得到尺寸和形態滿足測試要求的標準試樣，使用夾具將載荷傳遞到試樣中使其整體受力，通常需要加載至塑性變形階段甚至斷裂。雖然傳統材料力學性能測試技術較為成熟，但是由于其宏觀、整體、破壞的測試特點，核心器件難以滿足此類材料力學性能測試的要求，因此尺度更小的儀器化壓入技術逐漸進入人們的視野。
3、儀器化壓入技術能夠在微納米尺度下對目標試樣展開測試，是一種應用前景十分廣泛的新興材料力學性能測試技術，其憑借著微區且無損的測試特點，解決了傳統材料力學性能測試技術無法避免的測試難題，能夠高效率地對小尺度材料或貴重核心器件進行材料力學性能測試。沖擊壓入測試基于儀器化壓入技術，采用電磁-壓電耦合、氣槍或擺錘等方式進行驅動，實現壓頭沖擊壓入試樣表面，但上述驅動方式在控制精度、操作難度和測試安全等方面依舊存在著問題需要改進。
技術實現思路
1、針對以上現有
2、本專利技術的一個目的在于提出一種壓電陶瓷疊堆驅動的沖擊壓入測試方法。
3、本專利技術的壓電陶瓷疊堆驅動的沖擊壓入測試方法，包括以下步驟：
4、1)搭建沖擊壓入測試系統：
5、壓電陶瓷疊堆的一端固定在機架上，另一端與壓桿固接，壓電陶瓷疊堆的位移方向與壓桿共線；在壓桿上搭載位移傳感器和力傳感器；在壓桿的另一端安裝有壓頭；試樣搭載在位移臺上，試樣的表面與壓桿相互垂直；
6、壓電陶瓷疊堆與電源相連；力傳感器和位移傳感器分別與信息采集器相連；位移臺與數字控制系統相連；信息采集器以及數字控制系統分別與計算機相連；
7、2)根據壓頭在自由條件下的最大輸出位移uf估計最大壓入載荷fmax和最大壓入深度
8、hmax，最大壓入載荷fmax和最大壓入深度hmax與壓頭在自由條件下的最大輸出位移uf
9、滿足：
10、
11、其中，es和ec分別為試樣和壓頭的彈性模量，t和h分別為試樣和壓頭的厚度，ka
12、為壓電陶瓷疊堆的剛度；根據壓頭在自由條件下的最大輸出位移uf，利用上式估計得到對沖擊壓入測試中的最大壓入載荷fmax和最大壓入深度hmax；根據估算得到的最大壓入深度hmax和最大壓入載荷fmax，得到沖擊壓入測試的壓入載荷和壓入深度范圍，進而判斷是否滿足沖擊壓入測試需求，如果范圍過大，則調整測試參數，重新按照上式進行估計，直至滿足沖擊壓入測試需求為止，以保證測試的可行性和安全性；3)計算機通過數字控制系統控制位移臺移動試樣的位置，使得試樣置于壓頭之下；4)電源向壓電陶瓷疊堆發送激勵電壓，激勵電壓激勵壓電陶瓷疊堆位移，從而驅動壓頭
13、沖擊試樣；通過調節激勵電壓的電信號控制壓電陶瓷疊堆的位移，進而控制壓頭的沖擊速度，通過電壓驅動壓頭實現沖擊壓入測試；激勵電壓的電信號分為三個階段：電壓上升階段、電壓恒定階段和電壓下降階段；
14、壓電陶瓷疊堆的位移與激勵電壓成正比，壓電陶瓷疊堆的最大輸出位移δlmax：
15、δlmax＝nd33umax
16、其中，umax為激勵電壓最大值，n為壓電陶瓷疊堆中單層壓電陶瓷片的個數，d33為極化后的壓電陶瓷在3方向的壓電系數；
17、a)在電壓上升階段，激勵電壓在上升階段時間δt1內達到激勵電壓最大值umax，這個階段為沖擊壓入測試的沖擊壓入過程；壓電陶瓷疊堆的速度即壓頭的沖擊速度vin滿足：
18、
19、其中，δt1為激勵電壓的上升階段時間；壓電陶瓷疊堆的速度vin即為壓頭的速度，通過電源進行調控激勵電壓的電信號，對激勵電壓的上升階段時間進行設置，使激勵電壓的上升階段時間δt1在微秒量級內迅速達到千伏量級的激勵電壓最大值umax，驅動壓頭具有更大的沖擊速度，從而滿足沖擊壓入測試對高速度的要求；
20、激勵電壓在電壓上升階段驅動壓電陶瓷疊堆，電源的輸出電流i滿足：
21、
22、其中，c為壓電陶瓷疊堆的電容；通過上式計算得到電源的輸出電流i，如果電源的輸出電流小于電源的額定電流，則在滿足額定電流內能夠實現沖擊實驗所需的速度；如果電源的輸出電流大于電源的額定電流，則改變測試條件，按照上式重新計算電源的輸出電流i，直至輸出電流小于電源的額定電流；
23、b)在電壓恒定階段，激勵電壓保持最大值umax不變，恒定階段時間為δt2，此時壓電陶瓷疊堆不發生變形，壓電陶瓷疊堆的位移輸出保持壓電陶瓷疊堆的最大輸出位移δlmax不變，這個階段為沖擊壓入測試的保載過程；
24、c)在電壓下降階段，激勵電壓由最大值umax在下降階段時間δt3內逐漸減小至0，壓電陶瓷疊堆的位移由δlmax逐漸減小至0，這個階段為沖擊壓入測試的卸載過程；根據激勵電壓的電信號在電壓恒定階段和電壓下降階段的情況，得到壓電陶瓷疊堆在最大位移輸出的保持時間以及退回速度vout；
25、通過對激勵電壓的電信號在電壓上升階段、電壓恒定階段和電壓下降階段的電壓值和作用時間進行調控，分別對沖擊壓入測試的壓頭沖擊的沖擊壓入過程、保載過程以及卸載過程進行控制；
26、5)力傳感器和位移傳感器分別得到力信號和位移信號，由信息采集器采集，傳輸至數字控制系統變成數字信號，傳輸至計算機；計算機對測試進行自動化控制以及后續處理和分析。
27、其中，在步驟2)中，通過調控電源的激勵電壓的電信號，結合壓電陶瓷疊堆的位移輸出特性，得到壓頭在自由條件下的最大輸出位移uf；壓頭與壓電陶瓷疊堆的位移方向相同，從而壓電陶瓷疊堆的位移輸出與壓頭的位移輸出相同。
28、對于壓入測試而言，壓入深度和壓入載荷需要滿足設定的條件，壓入深度不能在試樣厚度中的占比不能過大，要小于設定的范圍，例如小于十分之一，要防止壓入載荷過大以保證壓頭不會由于過大的載荷而損壞；不滿足條件的話，對壓頭的類型和材料或壓電陶瓷疊堆的型號進行更改，重新對最大壓入載荷和壓入深度進行估算，以此來滿足測試條件。
29、沖擊壓入測試的壓入載荷和壓入深度的本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種壓電陶瓷疊堆驅動的沖擊壓入測試方法，其特征在于，所述沖擊壓入測試方法包括以下步驟：
2.如權利要求1所述的沖擊壓入測試方法，其特征在于，在步驟2)中，通過調控電源的激勵電壓的電信號，結合壓電陶瓷疊堆的位移輸出特性，得到壓頭在自由條件下的最大輸出位移Uf；壓頭與壓電陶瓷疊堆的位移方向相同，從而壓電陶瓷疊堆的位移輸出與壓頭的位移輸出相同。
3.如權利要求1所述的沖擊壓入測試方法，其特征在于，在步驟2)中，如果范圍過大，調整的測試參數為壓頭的型號、大小和材料，試樣的厚度，以及壓電陶瓷疊堆的型號中的一種或多種。
4.如權利要求1所述的沖擊壓入測試方法，其特征在于，在步驟4)中，電源自身具備調節激勵電壓信號的功能，并且能夠為壓電陶瓷疊堆輸入激勵電壓的電信號；或者電源連接至模擬數字轉換器，模擬數字轉換器輸連接至計算機，計算機通過模擬數字轉換器控制電源輸入至壓電陶瓷疊堆的激勵電壓的電信號。
5.如權利要求1所述的沖擊壓入測試方法，其特征在于，在步驟4)的a)中，如果輸出電流大于電源的額定電流換電源，則改變測試條件為更換電源提高電源的額定電
6.如權利要求1所述的沖擊壓入測試方法，其特征在于，在步驟4)的a)中，激勵電壓的上升階段時間Δt1的范圍為0.1ms～10ms之間，激勵電壓最大值Umax的范圍為100V～1000V之間。
7.一種壓電陶瓷疊堆驅動的沖擊壓入測試系統，其特征在于，所述沖擊壓入測試系統包括：位移臺、試樣、壓頭、力傳感器、位移傳感器、壓桿、壓電陶瓷疊堆、機架、電源、信息采集器、數字控制系統和計算機；其中，壓電陶瓷疊堆的一端固定在機架上，另一端與壓桿固接，壓電陶瓷疊堆的位移方向與壓桿共線；在壓桿上搭載位移傳感器和力傳感器；在壓桿的另一端安裝有壓頭；試樣搭載在位移臺上，試樣的表面與壓桿相互垂直；壓電陶瓷疊堆與電源相連；力傳感器和位移傳感器分別與信息采集器相連；位移臺與數字控制系統相連；信息采集器以及數字控制系統分別與計算機相連；計算機通過數字控制系統控制位移臺移動試樣的位置，使得試樣置于壓頭之下；電源向壓電陶瓷疊堆發送激勵電壓，激勵電壓激勵壓電陶瓷疊堆位移，從而驅動壓頭沖擊試樣；通過調節激勵電壓的電信號控制壓電陶瓷疊堆的位移，進而控制壓頭的沖擊速度，通過電壓驅動壓頭實現沖擊壓入測試；通過對激勵電壓的電信號在電壓上升階段、電壓恒定階段和下電壓降階段的電壓值和作用時間進行調控，分別對沖擊壓入測試的壓頭沖擊的沖擊壓入過程、保載過程以及卸載過程進行控制；力傳感器和位移傳感器分別得到力信號和位移信號，由信息采集器采集，傳輸至數字控制系統變成數字信號，傳輸至計算機；計算機對測試進行自動化控制以及后續處理和分析。
8.如權利要求7所述的沖擊壓入測試系統，其特征在于，所述位移臺采用三維壓電位移臺。
9.如權利要求7所述的沖擊壓入測試系統，其特征在于，所述壓電陶瓷疊堆包括多個相同的單層壓電陶瓷片以及電極，電極包括正電極和負電極；其中，多個單層壓電陶瓷片堆疊，相鄰的兩個單層壓電陶瓷片之間設置一個電極，相鄰的兩個電極的極性相反，從而相鄰的單層壓電陶瓷片的壓電陶瓷的極化方向相反。
...【技術特征摘要】
1.一種壓電陶瓷疊堆驅動的沖擊壓入測試方法，其特征在于，所述沖擊壓入測試方法包括以下步驟：
2.如權利要求1所述的沖擊壓入測試方法，其特征在于，在步驟2)中，通過調控電源的激勵電壓的電信號，結合壓電陶瓷疊堆的位移輸出特性，得到壓頭在自由條件下的最大輸出位移uf；壓頭與壓電陶瓷疊堆的位移方向相同，從而壓電陶瓷疊堆的位移輸出與壓頭的位移輸出相同。
3.如權利要求1所述的沖擊壓入測試方法，其特征在于，在步驟2)中，如果范圍過大，調整的測試參數為壓頭的型號、大小和材料，試樣的厚度，以及壓電陶瓷疊堆的型號中的一種或多種。
4.如權利要求1所述的沖擊壓入測試方法，其特征在于，在步驟4)中，電源自身具備調節激勵電壓信號的功能，并且能夠為壓電陶瓷疊堆輸入激勵電壓的電信號；或者電源連接至模擬數字轉換器，模擬數字轉換器輸連接至計算機，計算機通過模擬數字轉換器控制電源輸入至壓電陶瓷疊堆的激勵電壓的電信號。
5.如權利要求1所述的沖擊壓入測試方法，其特征在于，在步驟4)的a)中，如果輸出電流大于電源的額定電流換電源，則改變測試條件為更換電源提高電源的額定電流或者選擇具有更小電容的壓電陶瓷疊堆的電容。
6.如權利要求1所述的沖擊壓入測試方法，其特征在于，在步驟4)的a)中，激勵電壓的上升階段時間δt1的范圍為0.1ms～10ms之間，激勵電壓最大值umax的范圍為100v～1000v之間。
7.一種壓電陶瓷疊堆驅動的沖擊壓入測試系統，其特征在于，所述沖擊壓入測試系統包括：位移臺、試樣、壓頭、力傳感器、位移傳...
還沒有人留言評論。發表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。